加速度计分类方法,主要性能指标及其意义分析
加速度计类型简介
定义中文名称：加速度传感器英文名称：acceleration transducer定义：能感受加速度并转换成可用输出信号的传感器应用学科：机械工程（一级学科）；传感器（二级学科）；物理量传感器（三级学科）。
加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。
加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。
加速力可以是个常量。
加速度计有两种：一种是角加速度计，是由陀螺仪（角速度传感器）改进的。
另一种就是线加速度计。
[1]2分类压电式压电式加速度传感器又称压电加速度计。
它也属于惯性式传感器。
压电式加速度传感器的原理是利用压电陶瓷或石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。
当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。
压阻式基于世界领先的MEMS硅微加工技术，压阻式加速度传感器具有体积小、低功耗等特点，易于集成在各种模拟和数字电路中，广泛应用于汽车碰撞实验、测试仪器、设备振动监测等领域。
加速度传感器网为客户提供压阻式加速度传感器/压阻加速度计各品牌的型号、参数、原理、价格、接线图等信息。
电容式电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器。
电容式加速度传感器/电容式加速度计是对比较通用的加速度传感器。
在某些领域无可替代，如安全气囊，手机移动设备等。
电容式加速度传感器/电容式加速度计采用了微机电系统（MEMS）工艺，在大量生产时变得经济，从而保证了较低的成本。
伺服式伺服式加速度传感器是一种闭环测试系统，具有动态性能好、动态范围大和线性度好等特点。
其工作原理，传感器的振动系统由"m-k”系统组成，与一般加速度计相同，但质量m上还接着一个电磁线圈，当基座上有加速度输入时，质量块偏离平衡位置，该位移大小由位移传感器检测出来，经伺服放大器放大后转换为电流输出，该电流流过电磁线圈，在永久磁铁的磁场中产生电磁恢复力，力图使质量块保持在仪表壳体中原来的平衡位置上，所以伺服加速度传感器在闭环状态下工作。
加速度计
外环坐标系 OX3Y3Z3 相 对中环转γ 角
q 4 cos
2
i sin
2
平台 四平衡环运动问题
q1、q2、q3、q4 分别对应从平台到载体绕各轴的转角 基座与平台的几何关系，可用四元数 q 来描述：
q q1 q2 q3 q4
问题：当某种原因产生α 1 以后，能否通过转动β 、γ 、α 来 消除这个α 1
(S )
P 2 a( S ) JS CS K
P/ K J 2 C S S 1 K K
角θ 大小即可代表加速度
P a 如 a = 常值，稳态时 e K
加速度计 力反馈与传函
实际中，用力反馈回路取代机械弹簧来实现 K
设 KБайду номын сангаас = 1 ，传递函数
PAK g I (S ) 2 a ( S ) JS CS AK t K g
平衡环系统(gimbal system)
一般三环式平台可满足导航 三环组成：台体、内、外环
三环系统局限：非全姿态
平台 平衡环闭锁
当滚动角为90度，平衡环系统 就不能隔离和平衡环面垂直的载 体的转动
—— 称为平衡环的闭锁(locking)
四平衡环式系统 须根据载体运动规律选择三 环式平台的安装方式
零位误差：没有加速度计输入的情况下，加速度计的输出
（可补偿部分称为零位偏置，随机偏差部分称为零位不稳定性 ）
加速度计 原理误差:交叉耦合
工艺误差：标度系数误差、灵敏度、零位不稳定性、测量范围 的非线性
原理性误差：测量原理本身的缺陷带来的误差
交叉耦合误差：
输入轴：垂直于初始时刻摆轴的垂线方向
输入轴固定后，摆一旦转动→交叉耦合误差 给定载体的加速度 A 的方向
加速度计原理
液浮式加速度计原理
液浮式加速度计原理结构类似于液浮式陀 螺仪。壳体内充有浮液，将浮筒悬浮。浮 筒内相对旋转轴有一个失衡检验惯性（质 量块 m），偏离旋转轴的距离为 L，敏感 方向为图中的 z方向。
当沿加速度计的输入轴（敏感方向）有加 速度时，由于惯性的作用，惯性体绕旋转 轴产生惯性力矩
Ma= Lma
微机械加速度计又称硅加速度计，它感测加 速度的原理与一般的加速度计相同。微机械 加速度计分为压阻式、电容式、静电力平衡 式和石英振梁式。
硅制检测质量由单挠性臂或双挠性臂支撑， 在挠性臂处采用离子注入法形成压敏电阻。 当有加速度a输入时，检测质量受惯性力F作 用产生偏转，并在挠性臂上产生应力，使压 敏电阻的电阻值发生变化，从而提供一个正 比于输入加速度的输出信号。
Ft= ma′
因此a =a′ = Ft/m = KΔs/m
即 a = k′Δs 式中 k′=K/m。
所以，测出质量块的位移量 Δs，便知道 基座的加速度。
重锤式加速度计由惯性体（重锤）、弹簧 片、阻尼器、电位器和说定装置组成。惯 性体悬挂在弹簧片上，弹簧片与壳体固连， 锁定装置是一个电磁机构，在导弹发射前， 用衔铁端部的凹槽将重锤固定在一定位置 上。导弹发射后，锁定装置解锁，使重锤 能够活动，阻尼器的作用是给重锤的运动 引入阻力，消除重锤运动过程中的振荡。 敏感轴与弹体的某一个轴平行，来测量导 弹飞行时沿该轴产生的加速度。
簧变形，于是检测质量在弹簧力的作用下 随之加速运动。当弹簧力与检测质量加速 运动时产生的惯性力相平衡时，检测质量 与壳体之间便不再有相对运动，这时弹簧 的变形反映被测加速度的大小。电位器作 为位移传感元件把加速度信号转换为电信 号，以供输出。加速度计本质上是一个一 自由度的振荡系统，须采用阻尼器来改善
MEMS加速度计的关键技术指标和特性
MEMS加速度计的关键技术指标和特性为应用选择最合适的加速度计可能并不容易，因为来自不同制造商的数据手册可能大相径庭，让人难以确定最为重要的技术指标是什么。
本系列的第一部分三大维度+关键指标，选出最适合你的MEMS加速度计，我们讨论了加速度计的关键参数和特性，以及它们与倾斜和稳定应用的关系。
今天分享的是本系列的第二部分，我们将从可穿戴设备、状态监控和物联网应用的角度重点讨论各项关键技术指标和特性。
关键指标：低功耗、小尺寸、旨在增强节能性能的集成特性以及可用性。
用于电池供电型可穿戴应用的加速度计的关键指标是超低功耗（通常为μA 级），以确保尽量延长电池寿命。
其他关键指标是尺寸和集成的特性，比如备用ADC通道和深度FIFO，其作用是增进终端应用的电源管理和功能性。
由于这些原因，可穿戴应用中通常采用MEMS加速度计。
表1所示为部分生命体征监测(VSM)应用及其在具体应用中的对应设置。
用于可穿戴应用的加速度计通常可以对运动分类；检测自由落体；测量运动是否存在以确定是使系统上电、关断还是休眠；辅助实现数据融合，供ECG和其他VSM 测量使用。
同样的加速度计也用在无线传感器网络和物联网应用中，因为它们具有超低功耗的特性。
在为超低功耗应用选择加速度计时，必须在数据手册中标称的功耗水平下观察传感器的功能。
要观察的一项关键指标是带宽和采样速率是否会降至无法测量可用加速度数据的水平。
有些竞争产品通过每秒关断并唤醒的方式达到维持低功耗的目的，但这样做会错过关键的加速度数据，因为有效采样速率下降了。
为了测量实时人体运动的范围，需要大幅提高功耗。
ADXL362和ADXL363不会通过欠采样混叠输入信号；它们采用全数据速率对传感器的整个带宽进行采样。
功耗随采样速率动态变化，如图1所示。
需要注意的是，这些器件可在功耗仅为3 μA的状态下，以最高400 Hz的速率进行采样。
在可穿戴设备中，这些较高的数据速率可实现额外的功能，如单击/双击检测。
认识加速度计的关键指标
认识加速度计的关键指标根据某一具体应用选择加速度计最困难的地方就是真正理解加速度计规格参数的实际意义。
通常用户对其测试要求非常了解，但是如何选择合适的加速度计型号来满足这些测试要求却有些困难。
加速度计制造商常常专注于产品的所有规格参数，并力求产品性能是最好的。
本文对制造商对日常使用的加速度计规格参数做一个详细描述及解释。
灵敏度加速度计的灵敏度，有时候称作加速度计的“比例因子”，它是传感器电输出和机械输入之间的比率（注意：传感器通常定义为把一种能量转换成另外一种形式的能量的设备，加速度计就是一种把机械加速度转换成比例的电信号的传感器）。
通常使用mV/g或pC/g来表示这一比率，它仅仅在某一频率点下有效，按着惯例一般是100Hz。
由于大部分加速度计会或多或少受温度影响，灵敏度同样只在某一很窄的温度范围内有效，通常是25±5OC。
此外，灵敏度只在某一加速度幅值下有效，通常是5g或10g。
灵敏度有时被定义为一个带有允许误差范围的数值，通常是±5%或10%，这个保证了用户使用的加速度计灵敏度在灵敏度标称值的允许误差范围内。
几乎所有情况下，加速度计都会附带一份校准报告，列出了准确的灵敏度。
当谈到频率响应的百分比或dB允许误差范围时，灵敏度被称作为“参考灵敏度”。
详见下面的频率响应章节。
当讨论横向灵敏度时，灵敏度又被称作为“轴向灵敏度”。
详见下面的横向灵敏度章节。
尽管灵敏度有那么多的限制条件，但是在设置信号调理器或数据采集系统时，灵敏度数值是使用最频繁的。
信号调理器或数据采集使用这个数值来处理及解释加速度计的输出信号。
频率响应同灵敏度类似，频率响应也是告诉用户加速度计的“比例因子”，不过是在变化的频率。
频率响应是在传感器的整个频率范围内定义灵敏度的大小。
由于很少规定相位响应，因而称为“幅值响应”更为准确。
频率响应通常定义为相对于100Hz时的灵敏度（参考灵敏度）的一个允许误差范围。
这个误差范围可以定义为百分比或dB，典型的误差范围有±10%，±1dB及±3dB。
惯性导航系统的基本惯性元件之一——加速度计
3.量程大
通常，飞行器上要求的加速度计的测量范围 是105 g 到 6g，最大的到12g甚至 20g。在这么 大的范围内要保证输出的线性特性及测量过 程的性能一致，不是一件容易的事情。这就 必须增大弹簧刚度，减少输出的转角。因此 必须用“电弹簧”代替机械弹簧，控制弹簧 在几个角秒或几个角分以内。
硅悬臂梁式加速度计
为避免由于粘贴而造成的蠕变、迟滞、温度 效应等问题，现已大量采用使弹性元件与应 变敏感元件合为一体的结构——用单晶硅做 成悬臂梁式弹性元件，并采用平面扩散工艺 技术，在它上面形成4个性能一致的电阻，构 成四臂电桥，在梁的自由端连接上敏感质量 块就组成了硅悬臂梁式加速度计。
激光加速度计
(4)气浮或磁悬浮或静电悬浮。检测质量依靠 气体压力、磁力或静电吸力等支承目的是让 输出轴不与基座接触，以减少摩擦力矩和干 扰力矩。
1.3按测量加速度的原理和工作方式分
激石振压压陀挠液宝
光英弦电阻螺性浮石
和振式式式摆摆摆轴
光梁加加加式式式承
纤加速速速加加加摆
加速度度度速速速式
4、摆式积分陀螺加速度计
利用自转轴上具有一定摆性的双自由度陀螺仪来测 量加速度的仪表。陀螺转子的质心偏离内环轴，形 成摆性。如果转子不转动，陀螺组件部分基本上是 一个摆式加速度计。当沿输入轴（即陀螺外环轴） 有加速度作用时，摆绕输出轴（即内环轴）转动， 使轴上的角度传感器输出信号，经放大后馈送到外 环轴力矩电机，迫使陀螺组件绕外环轴移动，在内 环轴上产生一个陀螺力矩。它与惯性力矩平衡，使 角度传感器保持在零位附近。陀螺组件绕外环轴转 动的角速度正比于输入加速度，转动角度的大小就 是输入加速度的积分，即速度值。
惯性导航系统的基 本惯性元件之一
加速度传感器参数说明【详解】
参数说明及工作原理：1.电荷灵敏度加速度计一般采用PZT压电陶瓷材料，利用晶体材料在承受一定方向的应力或形变时，其极化面会产生与应力相应的电荷，压电元件表面产生的电荷正比于作用力，因此有Q=dF其中，Q为电荷量，d为压电元件的压电常数，F为作用力。
加速度计的电荷灵敏度则是加速度计输出的电荷量与其输入的加速度值之比。
电荷量的单位取pC，加速度单位为m/s2。
（1g=9.8m/s2）2.电压灵敏度如果要换算加速度计的电压灵敏度，则可用下面公式得到SqSa = （v/ms-2）CaSq为电荷灵敏度，单位pC/ms-2；Ca为电容量，单位pF。
Sa电压灵敏度单位V。
3.频率响应（1）谐振频率，为加速度计安装时的共振频率，随产品附有谐振频率曲线（低频传感器不附图）。
（2）频率响应一般采用谐振频率的1/3—1/5。
加速度计频响在1/3谐振频率时，频响与参考灵敏度偏差≤1dB，（误差<10%）。
频响在1/5谐振频率时，频响与参考灵敏度≤ 0.5dB （误差<5%）。
我公司传感器频响均以1/3谐振频率计算。
4.最大横向灵敏度比加速度计受到垂直于安装轴线的振动时，仍有信号输出，即垂直于轴线的加速度灵敏度与轴线加速度之比称横向灵敏度。
5. 电荷输出的压电式加速度计配合电荷放大器，其系统的低频响应下限主要取决于放大器的频响。
二、安装技术及注意事项：（一）安装方式用加速度计进行测量，为使数据准确和使用方便，可使用多种方法安装，现介绍几种供选用。
1.螺钉安装RC6000系列加速度计有M5、M3安装孔及传感器自带螺栓等形式，以M5孔居多。
加速度计随产品附有安装螺钉。
使用螺钉安装，它的使用频率响应可近似原标定的频率响应，且称刚性安装。
螺钉安装是在允许打孔的被测物上沿振源轴线方向打孔攻丝。
2.粘接安装在被测物体不允许钻孔时，可使用各种粘接剂，如“502”、环氧树脂胶、双面粘胶带、橡皮泥。
应注意，前二种方法的使用频率接近刚性安装方法，后两种一般用于低频现场，且会使被测频率大大降低。
第5章加速度的测量及加速度计分析
石英挠性 加速度计
2018/11/1
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§5.2 摆式加速度计
三 陀螺积分加速度计
2018/11/1
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§5.2 摆式加速度计
三 陀螺积分加速度计
mLa H
mL t adt H 0
mL (V V0 ) H
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§5.2 摆式加速度计
di2 C di K di2 ( 2 ) x [( 2 REP GM E GSE )]x (GEP GM P GSP ) x dt m dt m dt di2 [ 2 REP GEP (GM P GM E ) (GSP GSE ) ]x dt
i ka kmu ku ka
V Ri Rku ka
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§5.2 摆式加速度计
一 液浮摆式加速度计
液浮摆式加速度计的运动方程：
Ax A A y Az
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sin Ax1 cos sin cos A A y1 0 Az1 0 Ax cos Ay sin A cos A sin x y Az
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§5.2 摆式加速度计
二 挠性加速度计
闭环工作条件下，采用与液浮摆式加速度计相同的坐 标系定义，可以得到挠性加速度计摆组件的运动方程为
D (B k k k ) P( A A ) M J u a m y x d
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§5.2 摆式加速度计
三 陀螺积分加速度计
伺服回路/稳定回路 • 内环轴上的信号器 • 伺服放大器 • 外环轴上的力矩器
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2. 标度因数的线性度和稳定性
• 标度因数的稳定性是要求标度因数固定不变，不 要受温度、磁场等环境因素引起输出与输入比值 的变化。 • 标度因数不稳定和非线性都会引起系统的误差。 高精度的加速度计的标度因数稳定性和线性度可 以做到10-6 ——10-7g。
3. 零偏及零偏的稳定性
在没有加速度输入时加速度计的输出称为零位 偏值。
7. 带宽和频率响应
•带宽或频率响应是反映加速度计的动态特性的指标。
谢谢大家
三. 典型加速度计介绍
石英挠性加速度计
陀螺积分加速度计
闭环液浮摆式加速度计
振弦式加速度计
四. 加速度计性能指标
某石英挠性加速度计性能参数
1. 加速度计的标度因数
• 标度因数是指输出信号与输入信号之比。输入是加速 度，输出可能是模拟量，如直流电压。标度因数单位是多 少毫伏每g，一般希望标度因数要大一点，有利于信号传 输时提高信噪比。 • 加速度计也可能输出的是脉冲数，输入的加速度比例 于输出的脉冲频率。每一个脉冲反映了加速度作用下的速 度增量，称为脉冲当量。把输出的脉冲累加起来就成了速 度，这时的加速度计称为积分式加速度计。
加速度计分类方法，主要性 能指标及其意义
吴纾婕
基本概念回顾 加速度计的几种分类方法 典型加速度计介绍 加速度计性能指标及其意义
一.基量系统 •壳体 •弹簧 •质量块
• 加速度计——测量加速度。 • 加速度这个物理量是难以直接测量的，目 前人们是通过测量（检测）相应的力来间 接测量加速度。 • mg+ma+F=0 • g+a+f=0 • f=-g-a • f称为比力，加速度计就是用反馈的约束力 来测量地球的引力和物体的运动加速度， 在测量值里除去引力，就得到需要测量的 加速度a，所以加速度计也叫比力计。
二.加速度计的分类
按惯性检测质量的运动方式
按其工作原理分类
按对其检测方式
按其使用的信号传感器的类别
• 1 按惯性检测质量的运动方式分类，可分为线加 速度计和摆式加速度计。
摆式加速度计的力学模型
摆式加速度计的力 矩平衡原理
摆式加速度计
在摆式加速度计中，检测质量做成摆锤，如单摆一样， 它可绕支承轴转动，其基本结构原理如上图。它的工作 原理如下。 当运动物体有沿Z轴负向加速度α时，检测质量摆感受 α引起的惯性力F=ma，由于摆杆具有长度，故形成惯 性力矩Ma，使摆锤偏离初始位置，并产生角位移；与 此同时转轴的转动使轴端弹簧变形而产生弹簧力矩 Ms ，Ms和Ma 方向相反，又由于摆杆偏离z轴，重力 mg形成与弹性力矩方向相同力矩分量，摆锤达到力矩平 衡即稳态。
4. 死区或阈值
•死区是指加速度计没有信号输出的范围。阈 值是指加速度计有确切输出的最小加速度输入 量。高精度加速度计的阈值达10-7g。
5. 测量范围
6. 分辨率
• 分辨率是反映加速度计测量灵敏度的标志，根据加速度 计的标度因数，输入加速度的变化引起相应的输出变化， 当输出变化达到应该变化输出二分之一时的最小输入量， 定义为分辨率。 • 高精度的加速度计分辨率可达10-7— 10-8g 。阈值是反 映加速度计在零位附近的特性，分辨率反映加速度计全 量程的灵敏度。
• 2 按检测方式是否需将所测加速度由输出端再反 馈到输入端来分类，有开环加速度计和闭环加 速度计两类。
被测加 速度
活动部件
信号传感器
开环加速度计原理方框图
放大器
输出 电量
被测加 速度
活动部件
信号传感器
放大器
力发生器 （或力矩器）
闭环加速度计原理方框图
开环加速度计
• 开环加速度计又称简单加速度计或过载加 速度计，它的测量系统是开环的。 • 优点：构造简单，容易维护，易小型化， 成本较低。 • 缺点：必须精确的予以校准，抗干扰能力 差，精度较低。 • 应用：精度要求不高的情况下多采用开环 加速度计。
闭环加速度计
• 闭环加速度计又称力平衡式加速度计，力 反馈加速度计，带有补偿系统的力加速度 计或伺服加速度计，它的测量系统是闭环 的。 • 优点：抗干扰能力强，精度高，始终工作 在零位附近，可以夸大量程。 • 缺点：结构相对复杂。 • 应用：大部分惯性导航与制导系统中。
加速度计的分类
• 3 按其使用的信号传感器的类别分类有电容式加 速度计、半导体压阻式加速度计、电感式加速度 计、电位器式加速度计等。 • 4 按其工作原理分类有振弦式加速度计、静电式 加速度计、摆式陀螺加速度计等等。